保護環境，水稻也能做貢獻
《》（ 2015年09月14日 06 版）
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編者按 水稻田能產出滋養世界近1/3人口的稻米，卻也同時排放大量甲烷等溫室氣體，加速了全球變暖的進程，令人堪憂。好在，中國、瑞典和美國科學家通過分子生物技術，研究出了在不減少甚至增加水稻淀粉產量基礎上，有效減少稻田甲烷排放的辦法，這或許為破解糧食安全和遏制全球變暖兩大科學難題，提供了新的思路和途徑。 |
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最多可抑制九成甲烷排放 本報記者繆翼 一種高淀粉含量、低甲烷排放量的水稻品種SUSIBA2不久前被福建省農科院生物技術研究所與瑞典農業科學大學聯合開發出來，并被稱為是非凡的成果。水稻對全球變暖到底做了多少“貢獻”？靠什么才能降低水稻的甲烷排放量？這個新品種究竟有多大的應用前景？為此，記者采訪了福建省農業科學院生物技術研究所所長王峰。 全球每年從稻田中逸出的甲烷總量最高達1億噸 記者：為何稻田會成為甲烷“制造廠”？ 王峰：盡管從總量上來說，排放到大氣中的甲烷遠少于二氧化碳，但是由于甲烷的溫室氣體效應比二氧化碳高30余倍，因此甲烷依然為工業化以來的全球變暖做出了約20%的“貢獻”——而在這些進入大氣的甲烷中，有7%~17%是由稻田釋放的。根據測算，全球每年從稻田中逸出的甲烷總量高達2500萬噸~1億噸。 為何稻田會成為巨大的甲烷“制造廠”？這和稻田及水稻種植的特點密不可分。經過多年的耕作，稻田中的土壤顆粒被破碎為極為細小的顆粒，彼此能夠緊實的擠壓在一起，空隙很小；水田的水分夾雜其中，使得空氣無處藏身，整個水田成為極度缺氧的環境。與此同時，耕作和肥料的使用，使得水田中有著豐富的有機物殘渣，并且水稻根系在生長過程中，也不斷向水田內分泌有機物。此外，種植水稻的水田，大多分布于亞熱帶和熱帶地區。 缺氧的環境、大量的有機物和溫暖的環境，使得水稻根際土壤中產生大量厭氧型微生物，而這些微生物中，就包含相當多的產甲烷菌。整個水田，就好似一個巨大的無蓋沼氣池，源源不斷將有機物分解為甲烷，并肆無忌憚地排放到大氣之中。 改變水稻中碳的分配 記者：怎么“減排”？ 王峰：普通水稻光合產物有1/3以上被運輸到根系，從而產生大量根系分泌物、脫落物，它們經厭氧菌發酵釋放出甲烷，這是一種嚴重的浪費。如果設想將控制淀粉合成的因子轉入，從而改變水稻中碳的分配，最終獲得增產結果——將水稻每穗的谷粒從600粒提高到了1000粒，且大米中的淀粉含量明顯增加。與此同時，根系分泌物、脫落物顯著減少。 事實證明，這個設想是可以實現的。研究發現的SUSIBA2（Sugarsignalinginbarley2）基因，成為了實現這個夢想的關鍵。 研究發現，在組織細胞內較高水平地表達SUSIBA2基因，可以增強該部位“接納”有機物的能力，并提高淀粉效率。實踐表明，在被篩選出的兩個株系中，SUSIBA2得到了理想表達，因此這兩個株系被用來進行后續實驗。 淀粉干重由76％提高到87％ 記者：是否會影響到產量？ 王峰：長期以來，減少水稻甲烷排放和增加有機物產量，是一個魚和熊掌不能兼得的事情。傳統上減少甲烷排放的方式，是通過改良耕種、灌溉等農業技術，來改變稻田土缺氧環境、減少有機物殘留，以抑制產甲烷菌活動。然而，這些行為會改變水稻根際環境，對水稻生長產生一定影響。同時，因為控制甲烷排放量對于植株個體的篩選來說并非易事，傳統的育種方式很難選育出低甲烷排放的水稻。高產的水稻品種意味著向根部輸送的有機物更多，同樣不利于減少甲烷排放。 新的生物技術讓人們看到了解決這一問題的希望。研究者設想，通過調整水稻體內的有機物分配過程，或許能讓一些本該運輸到根部的有機物進入籽粒當中。這樣既能夠減少有機物向土壤中的釋放，同時又能增加籽粒有機物的含量。3年田間試驗數據顯示，穗粒數、千粒重和籽粒中淀粉含量等產量指標均有增長，淀粉重量干重由76％提高到87％。 夏季減排90%秋季減少50% 記者：對甲烷的削減有多大？ |
泰國：少水型糯米稻谷新品種 在人們印象中，溫室氣體總是和工廠、城市有關，而實際上，農田里也會產生溫室氣體。近年來，泰國科技人員開發出了一種可以在少水環境中生長的新型稻米品種，能降低水稻田里甲烷的生成量，以保護環境。 通常，收割后的水稻根莖會留在水田里作為下一季水稻生長的肥料，但這些根莖經水長時間浸泡，產生化學反應，會釋放出大量甲烷。甲烷是僅次于二氧化碳的一種溫室氣體，會加劇氣候變暖。 作為世界上稻米生產和出口大國，如何減少農田溫室氣體排放量成了泰國政府面臨的一大挑戰。科技人員開發出的少水型糯米稻谷新品種，對陽光十分敏感，從發芽、抽穗到成熟的全過程，僅靠雨水即可完成，既減少了用水量和工作量，又降低了甲烷的產生，一舉三得。這種糯米稻谷新品種已經在泰國中南部平原地區的糧食產區推廣，且泰國開發減排型香米稻谷的計劃也已經全面實施。 多年生品種—— 將溫室氣體含量拉回工業革命以前 一旦取代一年生作物的多年生品種登場，它們的普及就可能對碳排放產生極大影響。關鍵在于，多年生作物的根系有極強的固碳效果——它可以在每立方米表層土中封存相當于土壤質量1%的碳。英國生物技術與生物科學研究理事會會長道格拉斯·凱爾（DouglasKell）計算出，每年只要把全球一年生作物的2%改為種植多年生作物，就能吸收足夠多的碳，扭轉大氣中二氧化碳含量有增無減的勢頭。而如果將地球上所有耕地全部改種多年生作物，封存的碳可以達到全球二氧化碳總量的118ppm（百萬分之118），換言之，足以把大氣中溫室氣體的含量拉回到工業革命以前的水平。 然而，找出與多年生特性相關的基因需要5年時間，而培育一個實用的品種至少還需要再用10年。讓我們期待吧！ 高產水稻減少溫室氣體排放 荷蘭科學家發現，種植高產水稻，即可減少稻田的甲烷排放量。科學家通過去除一些植株的花朵來控制稻米的收成。他們發現，去除的花朵越多（產量也減少了），甲烷生成量越多。這是因為，花少的植株儲存光合作用生成的碳的能力較低。在這種情況下，碳轉而被儲存在土壤中，土壤中的細菌又將碳轉化成甲烷。相反，花越多（產量也高）的植株可儲存的碳越多，從而使其不會流入土壤，成為產生甲烷微生物的養料，甲烷的釋放量也會隨之減少。 |
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王峰：研究者發現，相比于傳統水稻，這些水稻的地上部分生物量顯著增加，特別是籽粒中的淀粉含量提高了約13%。在福建等地連續3年的田間測量表明，這些水稻在生長期的甲烷釋放量，只有同樣耕作技術下傳統水稻的10%；在結實期間，這一數值可繼續降低到僅0.3%。 據介紹，3年田間實驗數據顯示，該項技術培育出的新型水稻在夏季能減少排放90％甚至更多的稻田甲烷，在秋季能減少50％以上的甲烷排放。 同時，對土壤根際微生物菌群的元基因組測序顯示，土壤中多種產甲烷菌的數量也有明顯下降。研究者們推測，這些水稻能夠大幅降低甲烷釋放的原因在于減少了根部的有機物分配，降低了根在生長過程中向土壤中釋放的有機物，從而減緩了產甲烷菌的活動。 提供了新的思路和途徑 記者：應用前景如何？ 王峰：課題組將進行一系列后續研究，進一步明確該技術在不同稻區、不同季節、不同稻作類型的甲烷減排效果以及對稻田的生態影響。其實我們只是提出了一種新的理念，距離選育出可大規模推廣的品種還很遠，但至少我們看到了新的曙光。 若該成果的應用研究在未來取得突破，選育出低甲烷高淀粉水稻新品種，按照減排50%推算，預計每年將使全球稻田甲烷減排5000多萬噸，中國稻田甲烷減排1000萬噸，福建稻田甲烷減排30萬噸，這將為全球溫室氣體減排作出重大貢獻。 |
給碳減排找條“稻路” 趙熙熙 全國公務員考試曾有一道試題：以水稻為例，如果少浪費0.5千克，可節能約0.18千克標準煤，相應減排二氧化碳0.47千克。如果全國平均每人每年少浪費水稻0.5千克，每年減排二氧化碳約為多少？答案是：61.2萬噸。 這是多么驚人的數字。然而，稻田所釋放的甲烷，僅僅是其中具有代表性的一員。 2013年，湖南等地稻米檢測出鎘超標，“倒霉”的是農民；去年，長株潭地區通過種植低鎘品種，或在重污染區改種玉米、高粱等替代性農作物，治理170萬畝重金屬污染耕地，顯然，為污染買單的是農業。 種植水稻，不可避免會排放大量溫室氣體；氣候變暖，導致水稻產量下滑，農業生產與生態環境陷入了惡性循環。農業生態系統是地球生態系統中重要的組成部分之一，不可否認的是，數千年以來，為了養活逐漸增加的人口，農業生產漸漸地改變著地球的本來面貌，同時對地球生態產生了或多或少的影響。目前，我國農業源污染排放已經占污染總排放量的一半，在環保呼聲日益高漲的今天，農業這個受到人類強烈干預，但又與自然生態系統聯系緊密的生態系統，不但要供給人類文明延續和進步所需的物質基礎，同時也必須向著對環境更加友好的方向發展。 農業污染不可不治，然而，不能總是如此被動，一再做著“亡羊補牢”式的努力。農業減排，需要的是一場品種革命。 未來新品種的發展，如培育抗高溫、耐干旱、作物生長發育期長的品種，應對全球變化。推廣高產作物品種，增加多年生牧草種植，大力栽培木本植物，改進牲畜放牧管理等，以提高耕作土地中的碳素儲備水平；培育新型氮素高效利用農作物的農業新品種，是農業生產適應氣候變化的一個重要措施；開發培育氮素高效利用水稻品種，減少碳排放對環境的破壞，有助于全球溫室氣體排放的控制。 |
